JP6839468B1 - マンガンアルミニウム青銅鋳造合金 - Google Patents
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Abstract
【課題】快削性のある素材を提供する。【解決手段】Alの含有量が9.0質量％以上16.0質量％以下であり、Mnの含有量が9.0質量％以上16.0質量％以下であり、Feの含有量が0.5質量％以上7.0質量％以下であり、Niの含有量が0.5質量％以上7.0質量％以下であり、PbもしくはBiの含有量が0.1質量％以上1.0質量％以下であり、残部がCu及び不可避的不純物からなるマンガンアルミニウム青銅鋳造合金。【選択図】図１
Description
本発明は、マンガンアルミニウム青銅鋳造合金に関するものである。
アルミニウム青銅合金は、銅合金の中で硬さが高い特徴を持つ。この特徴から絞り加工の型材として使用されている。特にステンレス合金、チタン合金等の絞り加工において効果を発揮する。
絞り加工とは金属板金加工の一種で、金属板を任意形状に塑性加工させるものである。基本的な構造はブランクホルダ、パンチ、ダイスからなり、アルミニウム青銅はダイスに使用される。工程としては所定形状にブランキングされた金属板をダイスとブランクホルダで挟み込み、金属板をパンチで加圧することでダイス形状に倣った成形品に加工する。
単純な円筒加工のみならず様々な形状を得ることができる。絞り加工が始まると、ブランクホルダとダイスとで挟み込んだ金属板はダイス内部へと流入を始める。これはブランクホルダとダイス間に金属板との滑り摩擦が発生することを意味している。
このことからダイスには良好な滑り性と耐摩耗性が求められるため銅合金が選択される。銅合金のなかでもアルミニウム青銅は高硬度であり耐摩耗性に優れる。しかしながら、材料に含まれるアルミニウム量によって硬さは向上するが、同時に加工性が悪くなる傾向がある。
先述した通り、絞り加工では様々な形状を得るためにダイスには形状加工が施される。精密な加工精度が要求されるが、従来のアルミニウム青銅では工具の損傷が激しいという課題がある。
従来の銅合金材料の例として、高力・切削用銅合金（例えば、特許文献１参照）や、高力銅合金（例えば、特許文献２参照）や、耐摩耗性アルミニウム青銅合金（例えば、特許文献３参照）や、銅系摺動材料（例えば、特許文献４参照）がある。
しかしながら、特許文献１の銅合金には、FeとNiが含まれていない。このため耐摩耗性に優れるκ相の晶出が得られず、結晶粒の微細化効果も得られないという問題がある。
特許文献２の銅合金は、快削性高力銅合金に関し、Alを含まないCu-Mn合金にSn,Ga,In,Biを加える材料である。すなわち、特許文献２の銅合金は、Cu-Mn合金である。これは、いわゆるAlおよびMnを必須とするマンガンアルミニウム青銅とは異なる。
特許文献３の銅合金は、規格合金AlBC InにTi及び黒鉛を必須元素としたものである。請求の範囲のMnは0.1〜15.0%と大きいが、実施例は規格合金の添加量を踏襲し0.5%程度の開示しかない。黒鉛を必須元素として含むことから通常の鋳造合金ではなく金属粉末と黒鉛粉末を混合、圧粉、焼結する焼結合金に限定されるという特徴がある。
特許文献４の銅合金は、基本的に青銅（Cu-Sn）合金をベースにした焼結合金である。このベース粉末にNi、Ag粉末を添加混合し焼結するとSnと化合物をつくり、その周辺にPbやBiが存在する。しかしながら、選択元素としてFe,Al,Zn,Mn,Co,Pが挙げられているが実施例には記載がない。また特許文献４の焼結合金と鋳造合金はジャンルが異なり同じ成分系であっても生じる組織が異なる。特許文献４の材質はCu-Sn系の青銅であり、これはマンガンアルミニウム青銅合金とは異なる合金である。
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、快削性を有する素材を提供することにある。
本発明のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金は、Alの含有量が10.0質量％より大きく、16.0質量％以下であり、Mnの含有量が10.0質量％より大きく、16.0質量％以下であり、Feの含有量が0.5質量％以上7.0質量％以下であり、Niの含有量が0.5質量％以上7.0質量％以下であり、PbもしくはBiの含有量が0.1質量％以上1.0質量％以下であり、残部がCu及び不可避的不純物からなり、ブリネル硬さは310以上400以下であり、切削抵抗値が300N以下である。
本発明のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金によれば、快削性を有する素材を提供することが可能となる
以下、本発明の実施形態であるマンガンアルミニウム青銅鋳造合金について、詳細に説明をする。
実施形態のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金は、Al、Mn、Fe、Ni、及び、PbもしくはBiを所定の質量％で含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる材料である。
実施形態のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金では、Alの含有量が、9.0質量％以上、16.0質量％以下である。AlとMnの含有量を加味して考慮する必要があるが、好ましくは、Alの含有量は10.0質量％以上、14.0質量％以下である。より好ましくは、Alの含有量が、10.0質量％以上、13.0質量％以下である。Alの含有量が上記数値範囲内であることにより、硬質で脆いγ２相の析出を防止することができる。
Alの含有量が上記数値範囲未満である場合には、軟質なα相の晶出が多くなるという問題がある。一方、Alの含有量が13.0％以下の場合には、熱処理を行うことによりブリネル硬さ（HB）410まで向上することができるという効果がある。さらに、Alの含有量が14.0％を超える場合には、硬くて脆いγ２相が粒界に析出し、脆い組織となるという問題がある。
実施形態のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金では、Mnの含有量が、9.0質量％以上、16.0質量％以下である。好ましくは、Mnの含有量が10質量％以上、15.0質量％以下である。Mnの含有量が上記数値範囲内であることにより、素地をβ相に保つことができる。
Mnの含有量が上記数値範囲未満である場合には、軟質なα相の析出が多くなるという問題がある。一方、Mnの含有量が上記数値範囲を超える場合には、硬質なγ２単相が析出し脆い組織となるという問題がある。
実施形態のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金では、Feの含有量が、0.5質量％以上、7.0質量％以下である。好ましくは、Feの含有量が1.0質量％以上、6.0質量％以下である。Feの含有量が上記数値範囲内であることにより、耐摩耗性のあるκ相を晶出させ組織を微細化するという効果がある。
Feの含有量が上記数値範囲未満である場合には、κ相が晶出しないという問題がある。一方、Feの含有量が上記数値範囲を超える場合には、κ相が粗大化するという問題がある。
実施形態のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金では、Niの含有量が、0.5質量％以上、7.0質量％以下である。好ましくは、Niの含有量が1.0質量％以上、6.0質量％以下である。Niの含有量が上記数値範囲内であることにより、κ相の粒状化を促し耐食性を向上させるという効果がある。
Niの含有量が上記数値範囲未満である場合には、κ相が粒状化しないという問題がある。一方、Niの含有量が上記数値範囲を超える場合には、κ相が粗大化するという問題がある。
実施形態のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金では、PbもしくはBiの含有量が、0.1質量％以上、1.0質量％以下である。好ましくは、PbもしくはBiの含有量が0.2質量％以上、0.7質量％以下である。
実施形態のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金では、PbもしくはBiの含有量が上記数値範囲内である。これにより、実施形態のマンガンアルミニウム青銅合金は、快削性を有する。PbもしくはBiの添加の効果は次の通りである。
第１に、被削物と工具の潤滑効果がある。PbやBiは低融点のため、加工熱で溶融し被削物と工具間で潤滑剤として効果があらわれる。
第２に、切削抵抗の減少と切りくず処理性の改善効果がある。Pb、Biは金属組織内で固溶することなく、独立した形で分散する（図１中の白点部分）。切削時は独立分散したPb、Biを起点に切りくずとなる。Pb、Biは微細形状で存在するため、切りくずも微細化し（図２）、切削抵抗が減少する。
PbもしくはBiの含有量が上記数値範囲未満である場合には、切削抵抗に影響を与えないという問題がある。一方、PbもしくはBiの含有量が上記数値範囲を超える場合には、Pb,Biが偏析を起こすという問題がある。
実施形態のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金は、残部がCu及び不可避的不純物からなる。不可避的不純物とは製造工程において除去することが難しい成分を意味する。
実施形態のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金は、素地がβ相、もしくは、β相+α相の微細組織であり、その素地中にκ相が分散した組織を有する。
例えば、それぞれの相の組成は質量%で
α相＝Cu-7%Al-10%Mn-2.2%Fe-0.8%Ni
β相＝Cu-9%Al-11%Mn-3.3%Fe-5.4%Ni
κ相＝Fe-41%Mn-11%Al
である。
例えば、それぞれの相の組成は質量%で
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である。
これにより、上記成分からなる硬質な素地β相中にα相やκ相が析出し耐摩耗性に富む組織となる。
実施形態のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金のブリネル硬さ（ＨＢ）は310以上400以下である。この硬さにより、優れた耐摩耗性が生じる。
実施形態のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金の切削抵抗値は300N以下である。これにより、快削性に優れるという効果が示されている。
実施形態のマンガンアルミニウム青銅鋳造合金は、切削抵抗を大きく減少させ、かつ安定させることができる。切りくず形状が微細化し、同サイズを連続的に排出していることから切削状態が安定している様子が確認できる。工具状態も添加前は異常損傷を起こしていたが改善している。
以下に、本発明の実施例について説明をする。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。
表1に示すように、組成の銅合金を高周波炉で溶解して金型を用いて鋳造し、実施例１から６、及び、比較例１から４に示すブロック試験片を作製した。表１に実施例１から６、及び、比較例１から４の試験片の組成値[wt％]を記載する。組成値は、蛍光X線分析装置で分析を行った結果である。
表１に示すように、実施例１から実施例６の試験片の組成は、Alの含有量が9.0質量％以上16.0質量％以下であり、Mnの含有量が9.0質量％以上16.0質量％以下であり、Feの含有量が0.5質量％以上7.0質量％以下であり、Niの含有量が0.5質量％以上7.0質量％以下であり、PbもしくはBiの含有量が0.1質量％以上1.0質量％以下であり、残部がCu及び不可避的不純物からなる。なお、表１には不可避的不純物の記載を省略している。
一方、比較例１から比較例４については、その一部の金属の組成が、上記実施例の範囲外となっている。
表２は、実施例１から６、及び、比較例１から４に示すブロック試験片の硬度及び切削抵抗値を測定した結果を示す。
切削抵抗値は、日本キスラー製多成分動力計を用い旋削加工で測定した。切削条件として、スローアウェイチップTPMN160304、切込量1mm、回転速度30m/min、送り速度0.2mm/revの設定で加工を実施した。硬度は、実施例１から６、及び、比較例１から4に示すブロック試験片のブリネル硬さを測定した。
表2に示すように、実施例１から６の試験片のブリネル硬さは310以上400以下であることがわかる。一方、比較例２、３、４の試験片のブリネル硬さは310未満であることがわかる。
表2に示すように、実施例１から６の試験片の切削抵抗値は、300N以下であることがわかる。一方、比較例１、３、４の試験片の切削抵抗値は、300Nより大きいことがわかる。よって、実施例の効果が確認された。
Claims (1)
- Alの含有量が10.0質量％より大きく、16.0質量％以下であり、
Mnの含有量が10.0質量％より大きく、16.0質量％以下であり、
Feの含有量が0.5質量％以上7.0質量％以下であり、
Niの含有量が0.5質量％以上7.0質量％以下であり、
PbもしくはBiの含有量が0.1質量％以上1.0質量％以下であり、
残部がCu及び不可避的不純物からなり、
ブリネル硬さは310以上400以下であり、
切削抵抗値が300N以下である、
マンガンアルミニウム青銅鋳造合金。
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